Roztažnost materiálů pro stavbu plynovodů a rizika při provádění prací na plynovodech

Při pracích na plynovodu došlo k úniku plynu ze středotlakého (STL) plynovodu DN 500 v důsledku vytržení plynového potrubí z Gibaultovy spojky.

Události předcházelo zahájení, příprava opravy a uzavření uzávěru DN 500. Po té bylo provedeno navrtání a osazení stoplu a odtlakování a odplynění plynovodu.

Následně byl proveden výřez potrubí a sestavení nového potrubí PE 315 ve výkopu. Posléze bylo provedeno kompletní svaření PE potrubí, propláchnutí plynovodu, zavaření svarů na ocelovém potrubí a provedeny izolace.

K vytržení potrubí z Gibaultovy spojky došlo vlivem teplotní roztažnosti použitého PE potrubí

1. Teplotní roztažnost materiálu PE

Lineární (délková) teplotní roztažnost je jev, při kterém se délka tělesa zahřátého o určitou teplotu roztáhne v daném směru o určitou délku.

Teplotní roztažnost polymerů

Teplotní roztažnost je jedna z nejvíce sledovaných vlastností polymerů. Bývá totiž o řád vyšší než u kovů (viz následující tabulka), a to velmi ovlivňuje konstrukci polymerních dílů, neboť je příčinou jejich rozměrových i objemových změn způsobených změnou teploty.

Koeficient teplotní roztažnosti α u plastových a kovových materiálů

Teplotní roztažnost závisí zejména na:

• druhu polymeru a jeho struktuře (nejmenší bude u tuhých polymerů),
• typu a množství přísad (nejmenší bude u polymerů vyztužených přísadami anorganické povahy, např. skleněnými vlákny),
• orientaci makromolekul vlivem zpracovatelských podmínek (ve směru orientace je největší).

Teplotní roztažnost materiálů se obvykle určuje jako koeficient délkové teplotní roztažnosti (α) a stanoví se z počáteční délky zkušebního tělesa (L) a jejího přírůstku (ΔL) v důsledku zvýšení jeho teploty v daném teplotním rozmezí (ΔT = T2 − T1). Protože je tento koeficient teplotně závislý, udává se i rozmezí teplot, pro které platí. Koeficienty délkové roztažnosti pro běžné polymery a některé další konstrukční materiály (sklo, ocel, měď) jsou uvedeny v tabulce výše.

Na základě rovnice platí:
ΔL = α ∙ L ∙ ΔT,

kde
ΔL je délková změna při změně teploty T2 − T1
α je koeficient teplotní roztažnosti K^-1
ΔT je změna teploty T2 − T1

2. Teplotní roztažnost materiálu z oceli

Lineární (délková) teplotní roztažnost je jev, při kterém se délka tělesa zahřátého o určitou teplotu roztáhne v daném směru o určitou délku.

Teplotní roztažnost kovových materiálů

Teplotní roztažnost je jedna z nejvíce sledovaných vlastností kovových materiálů. Bývá totiž o řád nižší než u polymerních materiálů (viz následující tabulka).

Koeficient teplotní roztažnosti α u plastových a kovových materiálů

Teplotní roztažnost kovových materiálů se obvykle určuje jako koeficient délkové teplotní roztažnosti (α) a stanoví se z počáteční délky zkušebního tělesa (L) a jejího přírůstku (ΔL) v důsledku zvýšení jeho teploty v daném teplotním rozmezí (ΔT = T2 − T1). Protože je tento koeficient teplotně závislý, udává se i rozmezí teplot, pro které platí. Koeficienty délkové roztažnosti pro běžné polymery a některé další konstrukční materiály (sklo, ocel, měď) jsou uvedeny v tabulce výše (Údaje platné pro teplotu 20 °C) na základě rovnice:

ΔL = α ∙ L ∙ ΔT,

kde
ΔL je délková změna při změně teploty T2 − T1
α je koeficient teplotní roztažnosti K^-1
ΔT je změna teploty T2 − T1

3. Vliv teploty okolí při montáži potrubí v reálných podmínkách

Pro posouzení reálného průběhu chování smontovaného úseku potrubí bylo k dispozici jen omezené množství informací ze kterých bylo provedeno hodnocení možného průběhu chování potrubí, které vedlo k úniku plynu v dané lokalitě.

3.1 Průběh teplot a srážek v čase montážních prací a v čase úniku plynu

Údaje o průběhu teplot a srážek byly vyžádány u Českého hydrometeorologického ústavu.
Podle stanice Praha, Klementinum byla dne 5. 7. 2018 v Praze 1 průměrná teplota vzduchu 24,2 °C, denní maximum 31,3 °C, denní minimum 18,0 °C a denní úhrn srážek 0,9 mm (slabý déšť kolem 19 hodiny SELČ),
Průběh teploty po hodinách je uveden v následující tabulce:

3.2 Časový průběh prací

3.3 Stav slunečního ozáření plynovodu PE v průběhu montáže

PE 315 včetně spojovacího materiálu bylo přivezeno a uloženo přímo v místě opravy. V rozmezí 10:00–12:30, po výřezu OC DN 300, sestaveno uvnitř výkopu – zpětně dobu ozáření nelze přesně časově určit, jelikož je s materiálem při přípravě manipulováno.

3.4 Schéma opravy před havarií

3.5 Schéma po odstranění havárie

3.6 Detailní pohled na smontované potrubí u uzávěru po odstranění havarie

3.7 Celkový pohled na smontované potrubí po odstranění havarie

3.8 Detailní pohled na Gibaultovu spojku před havarií

3.9 Celkový pohled na smontované potrubí před havarií

3.10 Detailní pohled na vytržené potrubí z Gibaultovy spojky

3.11 Propočet teplotní roztažnosti smontovaného úseku před havarií

Ze schématu podle bodu 4 byla délka smontovaného úseku plynovodu před havarií:

1. Plynovod z materiálu PE − 5,7 m
2. Plynovod z materiálu ocel − 6,7 m

1. Při přímém působení slunečního záření na plynovod dosahuje teplota plynovodu z PE hodnot až 65 °C a plynovod z oceli až hodnot 50 °C. Na základě těchto předpokladů lze výpočtem dojít k následujícím hodnotám prodloužení plynovodu:
   1. Plynovod z materiálu PE–L = 5,7 m, ΔT = T2 − T1 = 65 −22,8 = 42,2, α = 0,2.10^-5
      ΔL = α ∙ L ∙ ΔT = 20 ∙ 10^-5 ∙ 5 700 ∙ 42,2 = 48,108 mm
   2. Plynovod z mat. Ocel–L = 6,7 m, ΔT = T2 − T1 = 50 − 22,8 = 27,2, α = 1,1 ∙ 10^-5
      ΔL = α ∙ L ∙ ΔT = 1,1 ∙ 10^-5 ∙ 6 700 ∙ 27,2 = 2,00464 mm
      
      CELKOVÉ PRODLOUŽENÍ SMONTOVANÉHO ÚSEKU POTRUBÍ PŘI SLUNEČNÍM OZÁŘENÍ – 48,108 + 2,00464 = 50,11264 mm
      
      
2. Při nepřímém působení slunečního záření na plynovod dosahuje teplota plynovodu z PE a oceli podle údajů ČHMÚ hodnot až 30,7 °C. Na základě těchto předpokladů lze výpočtem dojít k následujícím hodnotám prodloužení plynovodu:
   1. Plynovod z materiálu PE–L = 5,7 m, ΔT = T2 − T1 = 30,7 − 22,8 = 7,9, α = 0,2 ∙ 10^-5
      ΔL = α ∙ L ∙ ΔT = 20 ∙ 10^-5 ∙ 5 700 ∙ 7,9 = 9,006 mm
   2. Plynovod z mat. Ocel–L = 6,7 m, ΔT = T2 − T1 = 30,7 − 22,8 = 7,9, α = 1,1 ∙ 10^-5
      ΔL = α ∙ L ∙ ΔT = 1,1 ∙ 10^-5 ∙ 6 700 ∙ 7,9 = 0,58223 mm
      
      CELKOVÉ PRODLOUŽENÍ SMONTOVANÉHO ÚSEKU POTRUBÍ BEZ SLUNEČNÍM OZÁŘENÍ – 9,006 + 0,58223 = 9,58823 mm

Závěr

K havarijnímu úniku plynu došlo vlivem teplotních rozdílů v době montáže potrubí a teplotnímu rozdílu v čase havarie cca 19:30 hodin kdy ochlazení potrubí smontovaného úseku bylo podpořeno deštěm v čase okolo 19 hodiny SELČ podle dodaných údajů ČHMÚ Praha stanice Klementinum.

V reálných podmínkách je možné nahradit Gibaultovu spojku axiálními kompenzátory HYDRA v přírubovém nebo přivařovacím provedení v tlakové řadě PN 6 a PN 10 a v dimenzích od DN 50 do DN 700.

Postup při použití kompenzátorů

1. Návod k použití

Kompenzátory HYDRA nevyžadují obsluhu.Jsou koncipovány výhradně pro zadané podmínky v objednávce. Jejich trvalá funkčnost je zaručena pouze tehdy, pokud jsou v potrubí uspořádány a namontovány předepsaným způsobem.

2. Montážní návod

2.1 Všeobecné montážní pokyny

1. Zkontrolovat případné poškození kompenzátoru.
2. Vlnovec nepoškodit – žádné hrubé nárazy nebo údery – neházet.
3. Řetězy nebo lana nezavěšovat za vlnovcovou část.
4. Vlnovec chránit před rozstřikem kovu při svařování; v případě nutnosti zakrýt nevodivým materiálem.
5. Zamezit poškození kompenzátoru v důsledku elektrického zkratu svařovací elektrodou nebo zemnícím kabelem apod. – může zničit vlnovec.
6. Vlny vlnovce udržovat vně i uvnitř bez cizích těles (nečistoty cementu, izolačního materiálu, apod.) – kontrolovat před i po montáži.
7. Před izolací minerální vatou zakrytovat vlnovec plechem.
8. Nepoužívat žádný izolační materiál s korozivními složkami.
9. Bezpodmínečně zamezit torzi během montáže i provozu (obr. 1).
   
   
   
10. Po montáži odstranit součásti sloužící k počátečnímu předpětí kompenzátorů nebo potřebné pro transport (pokud byly použity).
11. Dbát na dostatečně dimenzované pevné body na koncích kompenzovaných úseků potrubí. Ty musí zachytit jak axiální tlakové síly, které mohou být velmi velké, tak i přestavné síly kompenzátoru a síly z tření potrubního uložení (obr. 2).
    
    
    
12. Kompenzátory a kloubové systémy po montáži předepnout (kromě předpjatých provedení z  výroby) – normálně na 50 % zdvihu – přitom zohlednit směr pohybu a teplotu při montáži.
13. Před zatížením potrubí tlakem aretovat pevné body a uchycení.
14. Přípustný zkušební tlak v žádném případě nepřekračovat.

2.2 Montážní pokyny pro axiální a  univerzální kompenzátory

1. Každá potrubní větev musí být na svém začátku a konci fixována pevným bodem.
2. Mezi dva pevné body umístit pouze jeden axiální kompenzátor.
3. Rozvody potrubí v průběhu trasy musí být uchyceny a vedeny pomocí tzv. „kluzných bodů“. Jejich četnost je přibližně stanovena viz obr. č.3 a diagram obr. č.4.
   
   
   
   
   
4. Přesné umístění a počet kluzných bodů stanovuje na základě výpočtu a praktických zkušeností projektant potrubní trasy.
5. V místě montáže kompenzátoru musí být připojovací konce potrubí v jedné ose.
6. Při napojení na agregáty přenášející chvění nutno potrubí upevnit přímo za kompenzátorem.